城市轨道交通低碳效应研究综述

Review on Research of Low-Carbon Effects in Urban Rail Transit

摘要

城市轨道交通低碳效应研究是科学认识其环境效益，为行业政策补贴提供理论依据的重要基础。通过文献计量方法，全面梳理了城市轨道交通低碳效应相关研究问题，为该领域进一步研究明确了方向。基于VOSviewer软件对轨道交通碳排放相关研究进行了文献计量学分析，详细阐述城市轨道交通低碳效应的研究边界和碳减排机理，在探究城市轨道交通碳减排潜力量化评估视角及方法的基础上，系统性剖析影响城市轨道交通低碳效应的要素，涉及城市轨道交通基础设施建设、客流量、交通模式转移等多方面。最后，基于城市轨道交通碳减排潜力影响因素分析结果，研究提出提升城市轨道交通低碳效应的对策措施。研究可为城市轨道交通低碳效应研究提供学术参考。

Abstract

Research on the low-carbon effect of urban rail transit is an important foundation for scientific understanding of its environmental benefits and providing a theoretical basis for industry policy subsidies. Through the bibliometric method, the research issues related to the low-carbon effect of urban rail transit were comprehensively sorted out, and the direction for further research in this field was clarified. Based on VOSviewer software, the bibliometric analysis of rail transportation carbon emission related research was carried out, which elaborated the research boundaries and carbon emission reduction mechanism of urban rail transit low carbon effect, and systematically analyzed the elements affecting the low carbon effect of urban rail transit on the basis of exploring the perspective and method of quantitative assessment of carbon emission reduction potential of urban rail transit, involving the construction of urban rail transit infrastructure, passenger flow, transportation mode transfer and other aspects. Finally, based on the results of the analysis of the factors affecting the carbon emission reduction potential of urban rail transit, the study proposed countermeasures to enhance the low-carbon effect of urban rail transit. The study can provide academic references for the study of low carbon effect of urban rail transit.

Graphical abstract

关键词

城市轨道交通 / 低碳效应 / 减排机理 / 文献计量统计 / 影响因素 / 综述

Key words

Urban Rail Transit / Low-Carbon Effects / Emission Reduction Mechanism / Bibliometric Statistic / Influencing Factors / Review

0　引言

全球气候变暖问题愈加严峻，社会各行业越来越重视碳排放以及相关气候变化问题。当前交通运输业仍然高度依赖化石能源，且其碳排放量占全球碳排放总量的20%以上^[1]。“十四五”规划明确提出到2030年达到碳峰值和到2060年努力实现碳中和的目标^[2]。交通运输行业作为碳排放重点部门^[3]，推进其节能减排进程对于实现双碳目标具有重要的意义。城市交通系统作为城市经济发展的支柱产业，既是城市基础设施建设的重要组成部分以及居民出行和生活的必要保障，也是实现双碳战略目标的关键领域^[4]。

城市轨道交通作为一种占地面积少、准时性高、安全性高的大容量公共交通系统，对缓解交通拥堵、提高公共交通出行便利度及缓解城市交通碳排放强度具有重要作用，因而在大中型城市得到了广泛应用。引入城市轨道交通系统可有效提高城市交通的公益性^[5]，但也产生了一定的外部环境成本。城市轨道交通系统的建设和运营阶段产生了大量的碳排放。然而，相较于私家车、摩托车等城市交通方式，城市轨道交通的外部成本更低，主要表现在以下几个方面：首先，由于城市轨道交通在运营阶段的主要能源消耗类型为电能，可避免CO，PM_2.5等污染气体的排放，因此对环境的危害相对较小；其次，城市轨道交通的引入有助于提高交通系统运行效率，减少道路交通拥堵^[6]及交通噪声污染等问题，从而改善整个城市的交通状况；最后，相较于其他城市客运交通方式，城市轨道交通的碳排放强度更低，因此具有显著的碳减排优势。城市轨道交通系统在建设及运营过程中需要投入大量的资金，以上海地铁1号线为例，其总运营成本超过6.5亿元^[7]，大部分城市的轨道交通系统需要政府财政补贴，但在制定补贴政策时尚未考虑碳减排效应。科学、合理评估城市轨道交通系统碳减排效应可以为政府财政补贴提供重要的参考依据。

关于城市轨道交通对土地利用、经济及交通等方面影响的研究已经较为丰富^[8-10]。然而，关于城市轨道交通对碳排放的影响这一研究主题尚属较新的方向。目前虽然已有一些关于轨道交通系统环境评估的研究综述^[1，11-12]，但针对城市轨道交通，特别是对于城市轨道交通低碳效应的研究较为分散，缺乏全面、系统的整理和归纳。城市轨道交通低碳效应指由于城市轨道交通的开通而对城市交通系统碳排放产生的抑制作用。研究通过系统的文献综述，从城市轨道交通低碳效应边界及机理、研究视角及层次、评估方法以及关键影响因素等方面进行了全面深入的分析梳理，从城市轨道建设及运营等维度提出提升城市轨道交通低碳效应的措施，并从城市轨道交通低碳效应测算的标准化、多模式出行环境下的低碳效应协同量化、完善城市轨道交通碳减排效益测算模型等方面对城市轨道交通低碳效应研究进行了展望。

1　文献计量学分析

1.1　研究数据来源

文献计量学分析是一种跨学科文献分析方法^[13]，有助于辨识特定领域研究发展趋势以及前景，从而对该领域核心研究问题进行科学直观的分析。

为全面了解轨道交通领域碳排放相关研究，研究以国际上一致认可的Web of Science数据库为基础，同时为保证文献的质量以及全面性，索引选择核心数据库。考虑到“城市轨道交通碳减排”相关主题文献量过少，但“轨道交通碳排放”的主题与之相类似，因此设置检索策略为：(TS=(“rail transit”OR“subway”OR“metro”OR“mass transit”OR“mass transit transport*”OR“rail traffic”OR“rail transport*”OR“railway transit” OR “light railway transit” OR “monorail”)) AND TS=(“carbon emission*”OR“carbon reduction” OR“carbon mitigation”OR“CO₂ emission*”OR “carbon emission*”OR“greenhouse gas* emission*”OR“greenhouse gas mitigation*”)，时间跨度为2000年1月至2023年12月；文献类型包括研究型论文(Article)、综述论文(Review Article)和论文集(Proceeding Paper)；语种筛选设置为英语；检索类别选择交通运输(Transportation)，交通运输科技(Transportation Science Technology)，环境科学(Environmental Sciences)，能源燃料(Energy Fuels)，绿色可持续科技(Green Sustainable Science Technology)等多个符合主题的学科类别。通过检索并进行去重筛选得到符合条件的结果共计409篇，涉及67个国家和地区、559个组织、192个期刊来源和1 351名学者，同时引用了7 892种期刊的16 493篇文献。VOSviewer是一个用于构建和可视化文献计量网络的软件，其特点是能够处理大量信息，并提供直观的可视化分析结果^[14]。因此，研究将得到的参考文献的纯文本格式文档导出并利用VOSviewer软件进行文献计量统计分析。

1.2　文献研究发展统计

基于Web of Science核心数据库检索结果，2000—2023年，轨道交通碳排放研究领域共发表文献409篇，轨道交通碳排放领域文献发表分布如图1所示。图1显示轨道交通碳排放研究从2003年开始逐渐受到关注，之后处于缓慢起步的阶段。随着《巴黎协定》在2015年12月12日通过并于2016年生效^[15]，各缔约方国家制定了长期的温室气体减排发展战略，轨道交通碳排放研究领域也从2016年开始保持稳定快速发展状态。这一趋势表明该领域逐渐受到了学者的广泛关注，成为了轨道交通可持续发展领域新的关注焦点。

为分析各个国家及地区在轨道交通碳排放领域研究的贡献，研究基于VOSviewer软件，从文献发表的空间维度对67个国家和地区进行分析，得到轨道交通碳排放领域研究文献发文国家及地区的可视化分析结果。轨道交通碳排放领域文献空间分布如图2所示，对最小发文量阈值设置为4，发文单位涉及27个国家。

图2中节点的大小与发文数量成正比，节点颜色深度表征了发表时间。从图2可以看出，该领域文献发表地理空间分布较不均衡，存在显著的顶部效应，即论文发文量大部分归属于少量的国家。发文量最高的5个国家从高到低依次为中国、美国、加拿大、英国和澳大利亚，轨道交通碳排放领域发文量排名前5的国家如表1所示。由表1可知，我国在轨道交通碳排放领域研究成果最丰富(累计发文146篇)，占该领域发文总量的35.70%，但文献平均被引量相对较少，平均被引量为16.53次。其次为美国，共发表了81篇文献，获得了2 871次引用，平均被引次数最高，达到了35.44次，表明其发表的文献受到的重视度最高。

基于VOSviewer软件进行期刊共被引可视化分析，设置期刊被引次数阈值为47，得到期刊之间被引的可视化结果，期刊被引网络分析如图3所示。由图3可知，分析结果主要得到3个聚类集群(共40个条目)，各集群主要研究主题分别为能源环境(13个条目)、交通环境(11个条目)和可持续发展(8个条目)。对文献发表的期刊来源进行分析，显示从2000—2023年，发表轨道交通碳排放领域文献的期刊主要集中于交通运输、环境及能源领域，轨道交通碳排放领域七大载文量期刊如表2所示。其中，发文数量超过15篇的期刊包括Journal of Clearner Production，Transportation Research Part D： Transport and Environment，Sustainability和Energies，发文量分别为26篇、19篇、19篇和16篇。其中，被引次数和发文量均较高的Transportation Research Part D： Transport and Environment为交通与环境领域的顶级期刊，发文质量较高，平均被引次数高达27.11次。同时，该期刊载文类型主要以实证研究为主，而且重点关注轨道交通碳排放相关影响因素以及减排策略的研究。Journal of Clearner Production属于环境和可持续发展领域的权威期刊，在该领域的平均被引次数为23.23次，该期刊载文主要关注轨道交通碳排放评估相关研究。此外，Sustainability和Energies均为开源SCI期刊，表2分析结果体现了开源期刊的发展也显著促进了轨道交通领域碳排放的深入研究这一特征。

1.3　文献共被引及关键词共现分析

进一步通过VOSviewer软件进行高频文献引文共被引分析，文章被引分析阈值设置为7次，得到共包含53篇文献的共被引关系网络图谱，文献共被引分析可视化分析如图4所示。由图4分析可知，可视化结果共得到6个聚类集群，并且有3个聚类集群包含超过10个条目数量，对应图中3种颜色类型，分别为红色集群(17个条目)、绿色集群(13个条目)和蓝色集群(11个条目)，各集群内部所关注主题相似。其中，红色集群的研究主题主要偏向于轨道交通系统碳排放测算分析；绿色集群主要关注轨道交通与出行环境之间耦合作用研究；蓝色集群则以轨道交通与其他城市交通方式之间的关系研究为主。

为挖掘轨道交通碳排放研究领域研究热点及特征，研究应用VOSviewer软件对408篇文献进行关键词共现网络可视化分析，关键词共现频次阈值设置为9，得到了包含59个核心关键词的可视化结果，高频关键词共现网络如图5所示。图5中，矩形框的大小代表关键词共现次数，反映了该研究领域的热点；关键词之间连线的粗细程度与出现在相同文献中的次数呈正相关；矩形框的颜色表示主题聚类结果。由图5分析可知，碳排放(Carbon Emission)、温室气体排放(Greenhouse-Gas Emissions)、影响(Impact)、能源(Energy)、交通(Transport)、需求(Demand)、建成环境(Built Environment)、出行行为(Travel Behavior)、生命周期评估(Life Cycle Assessment)、模式转移(Modal Shift)等高频关键词共同组成了轨道交通碳排放领域的核心术语。其中，碳排放(即温室气体排放)和影响是关键词共现网络的核心，这与学界对全球变暖的气候问题的关注日益增加的趋势相一致，体现出了交通领域碳排放问题的重要性。同时，建成环境、出行行为生命周期评估、模式转移等关键词是轨道交通碳排放计算和碳减排效应分析的关键要素。

城市轨道交通碳排放测算是分析其碳减排效应的基础，目前已有较为丰富的研究成果^[16]。如，Kaewunruen等^[17]首次引入数字孪生技术对城市轨道交通生命周期碳排放进行辅助评估，尽管存在模型数据互通不良的局限性，但该研究仍具有一定的前瞻性。Yu等^[18]对地铁系统日常运营产生的碳排放量进行估算，最终得到每人每公里以及每人次出行产生的碳排放量。城市轨道交通碳排放计算与碳减排分析评估均为衡量碳排放水平的重要方法，但二者在关注点及应用上却存在显著差异。城市轨道交通碳排放绝对值的计算则主要侧重于量化某一阶段活动或系统所产生的碳排放总量，以提供具体的数值依据，进而评估其碳排放水平，为制定减排策略提供数据支撑。而碳减排效应分析的核心在于评估通过实施一系列碳减排措施所实现的碳排放减少量及其产生的环境效益，可以体现城市轨道交通相对其他城市出行方式的碳减排优势。碳减排分析强调的是减排措施的实际效果，包括碳减排规模、措施的持久性以及其对大气环境质量的改善程度，其实际应用价值更为显著。

2　城市轨道交通低碳效应研究边界及机理

城市轨道交通低碳效应研究边界的确定和机理分析是进行低碳效应测算的前提，不同学者根据研究问题侧重点以及研究条件确定了研究边界，进而揭示了城市轨道交通低碳效应机理。

2.1　城市轨道交通低碳效应研究边界

城市轨道交通是指包括地铁、轻轨、有轨电车、单轨等多种制式的城市公共交通系统^[19]，并且以电能为主要的能源消耗类型。城市轨道交通碳减排效益作用机制与其他轨道交通方式存在差异^[20-21]，表现在受客流量影响更大。在评估边界方面，城市轨道交通系统主要包括两大系统，即列车牵引系统和车站运营系统。列车牵引系统又包括牵引系统、车辆照明系统、车载空调系统、车载辅助设备和其他辅助设备等；车站运营系统主要包括车站照明系统、通风和空调系统、电扶梯系统、其他运营设备系统(如屏蔽门、AFC系统、通信系统、信号系统等弱电系统)。

城市轨道交通全生命周期包括设计规划、生产建设、运营维护和报废拆除等多个阶段。城市轨道交通低碳效应评估主要包含运营阶段和全生命周期阶段2种类型，也有少部分研究^[22-23]对建设阶段城市轨道交通的低碳效应进行了评估。运营阶段是城市轨道交通系统全生命周期碳排放的主要来源，该阶段碳排放占比高达92.1%^[24]。因此，研究人员较多关注运营阶段的碳减排效应。如Chen等^[2]以深圳地铁为例，探究了地铁运营阶段的碳排放特征和碳减排潜力。

考虑城市轨道交通全生命周期的减排效应有助于实现精准评估^[25]。陈坤阳等^[26]基于全面周期评估方法研究了全国城市轨道交通的碳排放指标，指出地铁具有较高的碳减排水平；Shoshanna等^[27]评估了英国伦敦Jubilee延长线建设、运营阶段相关的净碳排放量，研究结果显示Jubilee延长线的碳排放回收期为13—19年；Chester等^[28]应用全生命周期评估方法评估了洛杉矶市轻轨Gold线的全生命周期碳排放影响，研究表明新轻轨线路在诱导交通需求增加的同时也减少了汽车出行，并且在线路开通运营的第二个十年期间将会达到碳排放回收期。

2.2　城市轨道交通低碳效应机理

由于城市轨道交通与土地利用、城市交通系统的耦合作用^[29-31]，城市轨道交通低碳效应机理较为复杂。首先，城市轨道交通的低碳效应机理主要基于两大核心要素：交通模式转移效应以及客流规模效应，实现由高碳排放强度模式转向低碳排放强度模式，城市轨道交通显著降低了居民出行的人均碳排放强度。其次，由于城市轨道交通的引入提高了沿线土地利用的集约化^[32]，进而也会对碳减排产生促进作用。然而，由于这种通过提高土地利用强度来实现碳减排的效果往往难以精确量化和评估^[27]，因此相关研究较为缺乏。除以上的宏观层面机理，从微观角度分析，道路车辆运行的碳排放因子与速度有密切关系，并且随着速度的增加碳排放因子也逐渐下降^[4]，因此当道路拥堵时，车辆的碳排放更大。而城市轨道交通的引入有助于缓解交通拥堵，使道路车辆运行的速度得以提高，车辆碳排放因子下降，最终减少道路交通碳排放。城市轨道交通在全生命周期阶段会产生大量的碳排放，涉及材料使用、能源消耗等多个过程。城市轨道交通碳减排机理如图6所示。城市轨道交通低碳效应测算主要是通过基于有无城市轨道交通线路情况下的碳足迹差异分析进行量化。Andrade等^[33]基于交通模式转移效应评估了巴西里约热内卢市地铁4号线在2016—2040年期间的碳减排效应，该线路每年可减少5 545万t的碳排放量，每乘客人均减排量为44.53 gCO₂。然而，由于缺乏交通拥堵以及土地利用相关数据，该研究可能会低估城市轨道交通的碳减排潜力。

3　城市轨道交通低碳效应研究视角及方法

在对城市轨道交通低碳效应研究边界及机理的梳理基础上，进一步对城市轨道交通低碳效应研究视角以及研究方法进行梳理和总结。

3.1　城市轨道交通低碳效应研究视角

城市轨道交通低碳效应的研究视角可分为微观视角和宏观视角。微观视角通常涉及单条^[34]或多条^[35]城市轨道交通线路(包含车站运营系统及列车运行系统2个部分)。微观视角下的城市轨道交通低碳效应研究经历了从单一化到全面化的发展历程，考虑的因素也逐渐得到完善。如申晓鹏^[36]基于多源大数据建立了城市轨道交通碳减排测算模型，并对北京地铁的4条线路进行了低碳效应评估。该研究不足在于仅考虑了城市轨道交通系统运营阶段的低碳效应，而未考虑城市轨道交通项目建设阶段产生的碳排放，这可能会导致对城市轨道交通系统低碳效应的过高评估。针对这一问题，杨洋等^[23]建立了城市轨道交通全生命周期低碳效应测算模型，并将模型应用于石家庄地铁3号线二期项目，全面地评估了城市轨道交通项目的碳减排潜力，同时计算了研究案例的碳回收期。然而，该研究也存在一定的不足，如仅考虑了城市轨道交通系统的全生命周期，但对于城市轨道交通其他替代交通方式的碳排放因子的标定仍是基于运营阶段，而这可能会低估城市轨道交通系统的低碳效应。因此，在未来研究中，城市轨道交通低碳效应研究不仅需要考虑城市轨道交通系统全生命周期的碳排放，还需要关注私家车、公交汽车等交通方式的碳排放，从而更加精确地量化评估城市轨道交通系统碳减排潜力。谢东岐^[37]建立了适用于地铁网络和线路及其相关政策(如地铁票价调整)的节能减排评估模型，基于实测交通流数据和交通需求预测数据，并通过实际情况的基础情景以及设计情景(全部或部分返还地铁客流)的对比实现城市轨道交通碳减排估算，最终将模型应用于北京市城市轨道交通网络的节能减排效果的评估。

宏观视角的研究通常是从整个城市^[2]、省份、地区^[38]，甚至国家^[39-40]层面分析城市轨道交通系统的整体低碳效应。Ikeshita等^[41]应用交通需求预测模型估算了曼谷地铁网络的碳减排量及其协同效益，在交通分配阶段考虑了地铁的交通拥堵缓解效应。研究表明，曼谷地铁的发展有效减少了碳排放量和CO，NOx等污染物排放。Chaturvedi等^[42]深入剖析了全球电气化铁路客运系统的碳排放影响。研究发现转向城市轨道交通是应对减缓气候变化挑战的重要战略。Lee^[43]通过研究埃及和阿尔及利亚典型都市区的公共交通减排效应，发现公共交通需求越高，城市轨道交通投资产生的碳减排效应越明显。

3.2　城市轨道交通低碳效应研究方法

3.2.1　情景分析法

城市轨道交通建设对环境的正向环境效益主要体现在长期的运营阶段过程中^[44]。目前，关于城市轨道交通低碳效应的研究主要聚焦于利用情景分析法对碳减排效益进行量化评估。该方法通过设定不同的交通发展情景，深入剖析城市轨道交通在不同情况下的碳减排潜力和效益，有益于为政策制定者提供科学依据和决策支持。李天淋^[45]建立包含经济、环境、人口和城市轨道交通的系统动力学模型，基于供给、需求和技术等不同的要素进行情景分析，提出城市轨道交通的低碳发展路径。李立峰等^[46]采用情景分析法，研究上海市轨道交通不同发展速度下的城市交通出行碳减排量。Chen等^[2]运用情景分析法，对深圳地铁2022—2035年运营期的碳排放量及通过实施节能减排措施产生的低碳效应进行预测。Saxe等^[47]设定乐观情景、中等乐观情景和悲观情景，对加拿大多伦多市的Sheppard地铁线建设和运营阶段的净碳排放进行量化分析，测算得到3种场景下的碳回收期分别为11年、18年和33年。

在评估城市轨道交通碳减排潜力时，常用的分析方法为反事实分析，即通过假设有无城市轨道交通的场景，分析两类场景下的碳排放情况，对比分析得到城市轨道交通碳减排效果。Zhang^[4]建立了基于客流时空分布的城市轨道交通低碳环保节能减排评价模型如图7所示。模型基于地铁AFC刷卡数据以及道路交通流数据计算基准场景下的碳排放情况，并通过交通需求预测模型对设计情景进行预测，最终计算得到了一天内不同时间段的城市轨道交通碳减排量，研究发现城市轨道交通有效减少了道路交通碳排放，并且早高峰时段的减排率最高。Dasgupta等^[48]利用高精度卫星定位数据分析了192个城市的地铁减排影响，由于地铁显著的气候效益，因此建议面向更多的城市推广地铁建设。

3.2.2　交通需求预测方法

由于分析城市轨道交通低碳效应往往需要考虑未来年交通分配情况，因此交通需求预测模型也被常用于此类研究。如Wang等^[34]建立了基于传统的四阶段模型的事前事后城市轨道交通碳减排评估模型，对北京地铁6号线的低碳效应进行了分析。研究显示对于客流效益较好的线路，事前评估法可能低估了地铁的减排效果，而事后评估法的核算结果更加可靠，其结果可以用来调整事前评估的偏差。谢东岐^[37]基于地铁AFC刷卡数据，构建了改进的交通需求四阶段预测模型，评估了北京市城六区城市轨道交通系统的低碳效应。Zhang等^[49]基于传统的四阶段预测模型预测了客流需求，并结合混合Logit模型分析居民的未来出行模式选择，评估了宝鸡市在2023年城市轨道交通系统开通后可能带来的低碳效应，结果表明，宝鸡市城市引入轨道交通将带来1 070 t的年碳减排量。

3.2.3　其他研究方法

除了利用情景分析法研究低碳效应以外，基于不同的研究角度以及目的，学者还利用逆向分析法、结构方程模型、交通预测模型、多目标规划模型等其他多种方法研究城市轨道交通低碳效应。如Zhang等^[50]通过逆向分析法研究城市轨道交通相较于其他交通方式的碳减排潜力。Ou等^[51]同时考虑城市轨道交通的交通分流效应和交通创造效应，采用结构方程模型研究我国90个城市轨道交通对道路碳排放的影响，模拟了多条因果路径，城市轨道交通对道路交通碳排放影响路径如图8所示，图中路径中的正负标注表示相关系数的正负性，数值表示相关性大小。城市轨道交通线网密度对其出行比例、城市中心数量、城市人口密度等二级指标均体现为促进作用，各二级指标又对机动车出行量和保有量产生了不同程度影响，最终通过因果路径对道路交通碳排放产生影响。结果表明，城市轨道交通密度每增加100%，预计会导致道路碳排放量下降1.75%。Zhang等^[52]建立多目标规划模型分析了上海市的最优交通结构，研究表明，通过提高城市轨道交通的比例，对碳排放、其他外部成本、能源消耗和道路占有率等目标的满意度有显著的提升。Procter等^[38]通过系统动力学建模探讨轻轨对城市碳排放的潜在影响，认为轻轨可能会通过刺激经济增长而间接增加区域能源使用和碳排放量，建设轻轨时，通过提高太阳能发电比例、制定排放政策和改进车辆能源效率等方法综合施策，有助于实现减排目标。此外，密切值法^[53]对于科学评价低碳效应具有一定优势，然而在交通运输行业的相关评价研究中应用较少。如杨洋等^[54]基于改进的密切值法建立了轨道交通节能减排评价体系，对比高速铁路、普速铁路、高速公路等不同城际出行方式的碳减排效果，虽然该研究对象主要为高速铁路，但对未来结合生命周期理论进行城市轨道交通低碳效应分析的方法应用仍具有重要的借鉴价值。

4　城市轨道交通低碳效应的关键影响因素

城市轨道交通低碳效应受多种复杂因素的共同影响。从城市轨道交通系统自身来看，主要包括基础设施建设、运输组织计划、客流量以及节能降碳水平等要素；从与外界交互作用的角度分析，则与交通模式转移、电力生产结构以及其他城市交通方式的节能降碳水平密切相关。在推动城市轨道交通碳减排的进程中，需要综合考虑这些内外部因素，制定科学的策略和措施，以实现最佳的碳减排效果。

4.1　城市轨道交通基础设施建设

城市轨道交通系统建设过程中消耗大量的材料(以混凝土、钢材为主)和能源，产生了大量的碳排放。除此之外，城市轨道交通建设过程中的碳排放水平在很大程度上取决于线路选择、车站顶板埋深等设计参数^[35]。因此，线路开通运营前期产生的碳减排效益主要是补偿建设过程中的碳排放。以我国城市轨道交通建设为例，车站与隧道建设的排放强度分别为3.71 tCO₂e /m²和13 000 tCO₂e/km^[26]。Andrade等^[55]通过全生命周期方法评估巴西里约热内卢新线基础设施建设、列车制造维修、基础设施运营和列车运行的碳排放，研究表明建设阶段水泥和钢铁生产碳排放强度的改善是影响城市轨道交通碳减排潜力的关键因素。

降低基础设施建设过程中的碳排放对于缓解城市轨道交通运营阶段的碳减排压力、缩短碳回收期具有重要作用。其中，对于车站建设，碳减排的关键在于车站主体结构设计和建造。在车站结构方面，Chen等^[56]提出一种“内部支护+大构件+全装配”式预制地铁车站结构，并基于生命周期评价方法评估了其低碳效应。相较于传统的现场浇筑车站，所提出的预制地铁车站结构单位面积碳排放量低6.55%，对发挥城市轨道交通全生命周期的碳减排潜力有重要意义。不同的车站建设方式所产生的碳排放量也存在差异，暗挖法由于需要额外的支护结构以避免周围基础设施的不利沉降^[57]，因此比明挖法的碳排放量更高。

4.2　城市轨道交通客运量

与其他城市交通方式相比，城市轨道交通具备碳减排优势毋庸置疑，但前提是需要满足必要的客流量水平。城市轨道交通客流来源主要包括趋势客流、转移客流和诱导客流3部分^[4]，考虑到量化分析的复杂性，大部分研究主要考虑转移客流。如Sharma等^[58]基于乘客交通方式转移细节评估了印度德里地铁的减排潜力，发现在低客流水平下德里地铁难以实现碳减排目标，随着地铁的客流量增加，其低碳效应会逐渐改善。Sadeghi^[59]考虑电厂能源类型和出行模式转移的影响，定量确定伊朗马什哈德市轻轨交通的减排潜力，研究发现提高轻轨客流量是提高其碳减排潜力的主要因素之一，并且轻轨客流量每提升20%，碳减排效应可提高101.4%。Lederer等^[60]针对奥地利维也纳地铁U2线，分析调整列车满载率、能源生产结构和车辆能源效率3种措施对降低全球变暖潜能(GWP)和累计能源需求(CED)的影响，发现列车满载率对GWP和CED的影响最大，且列车满载率提高3%将使GWP和CED分别下降29.6%和29.9%。Zhang等^[50]研究发现与城市轨道交通相关的政策，如停车政策、TOD发展模式等^[61]，对于城市轨道交通客流也存在影响，因此结合政策进行城市轨道交通碳减排效益的研究也需要进一步加强。

4.3　城市轨道交通运输组织计划

城市轨道交通运输组织计划对城市轨道交通碳排放也具有一定影响，主要体现在列车开行方案、行车组织等方面。针对单一线路，Li等^[62]考虑地铁客流时空分布的差异，提出了一种优化再生制动能利用模式的地铁列车时刻表优化方法。以青岛地铁3号线为例对模型进行的验证表明，优化后的净能耗降低了5 169.67 kW·h。Wang等^[63]基于列车运行和旅客需求数据，建立以减少旅客时间和列车运行碳排放为目标的整数规划时刻表优化模型，优化后的列车时刻表在碳排放量和乘客出行时间方面均实现了较好的效益。Dong等^[64]提出了一种多列车节能控制协同优化方法，以北京地铁4号线为例，结果表明与单列车控制策略优化相比，总牵引能耗可减少3.1%。吕维珩等^[65]将碳排放最小纳入目标函数，建立了列车跳站停车优化模型，优化后的列车牵引碳排放量可减少11.74%。除优化单条城市轨道交通线路运输组织外，也有学者将研究视角扩展到了整个城市轨道交通网络层面^[66]，在城市轨道交通网络节能调度方面，Huang等^[67]提出了一种通用的轨道交通网络调度和乘客路径选择模型框架，以最大限度地减少乘客出行时间约束下的能源消耗。

4.4　交通模式转移

交通模式转移情况在分析城市轨道交通低碳效应时具有举足轻重的影响，是评估碳减排效果的关键因素之一，直接影响碳减排潜力的实现。乘客从汽车向城市轨道交通的转移比例越高，产生的碳减排效益越显著^[28]。反之，若乘客主要是从其他公共交通方式(如公共汽车)转移至城市轨道交通，则难以产生显著的碳减排效益。Chester等^[68]针对美国洛杉矶轻轨的研究发现，轻轨客流量来源中私家车占比至少达到35%才能有效实现碳减排效应。Doll等^[69]基于不同地铁客流量和交通模式转移水平，提出评估地铁系统环境协同效益潜力的方法，论证了地铁等城市轨道交通与其他交通方式尚未实现有效衔接的情形下，难以产生理想的环境协同潜力。Soni等^[70]研究分析通勤者从其他交通方式转向印度孟买地铁1号线而减少的碳排放量以及其他污染物排放量，发现地铁1号线开通后每天仅减少22.7 t碳排放量，但每天地铁运营消耗的电力却产生了约75.6 t碳排放，净碳排放量仍为正值，原因在于从公共汽车向地铁的转移比例最高，导致地铁的碳减排潜力难以充分发挥。

此外，不同城市的客流转移情况存在明显差异，如丹麦哥本哈根新建地铁线路的开通带来小汽车和公共汽车的客流量分别下降13%和40%；在希腊雅典，新建地铁客流量中24%来自小汽车，53%来自公交汽车^[71]。交通模式转变受多因素影响，包括出行成本、时间以及城市交通空间结构等因素。由于城市轨道交通碳减排效果在很大程度上取决于由于其开通而减少的私家车出行比例，因此对于像英国伦敦等私家车出行比例较低的城市^[27]，难以有效实现由私家车向城市轨道交通的转变。Saxe等^[47]研究发现地铁碳减排量主要受地铁线路开通后机动车客流量的减少以及容积率的变化影响。

4.5　电力生产结构

若电力部门通过采用清洁发电技术等方式降低其碳排放强度，将会促进城市轨道交通进一步减少碳排放量。Chen等^[72]对城市轨道交通碳减排测算结果进行敏感性分析，验证了城市轨道交通碳减排效果与电力碳排放因子密切相关。Sadeghi对伊朗马什哈德市轻轨线路的研究^[59]表明，电力碳排放因子降低20%将会减少67.8%的碳排放量。Zhang等^[50]基于电力生产结构评估了我国城市轨道交通碳减排潜力，分析了我国18个城市的城市轨道交通系统可产生正向碳减排效益的火电比例阈值，例如，广州等城市火电比例阈值超过了1，而青岛等城市的火电比例阈值为0.2。

4.6　节能降碳技术

节能降碳技术主要涉及运营阶段，包括2个方面，即城市轨道交通系统的节能降碳技术和其他替代交通方式的节能降碳技术。前者有利于提高城市轨道交通碳减排量，而后者则相反。对于城市轨道交通，其节能降碳技术水平越高，则低碳效应越显著。Chen等^[2]对深圳地铁的深入研究中发现，通过不断提升地铁的低碳运营水平，包括有效利用再生制动能、广泛采用LED节能灯和变频空调器等节能设备，到2035年，碳减排率有望达到40%。在2022年至2035年期间累计可实现高达0.1 Mt的碳减排量。González-Gil等^[73]研究城市轨道交通系统在降低能耗方面的潜力，通过综合实施节能优化时刻表、节能驾驶策略、改进车辆舒适性功能控制和路边储能装置，现有城市轨道系统的能耗可以减少约25%~35%。而对于其他替代交通方式，未来随着汽车燃油效率的不断提高、电动汽车比例的增加以及替代燃料的推广应用，可能会削弱城市轨道交通的碳减排优势^[70]。

城市轨道交通低碳效应受多种复杂因素的共同影响，各因素之间也存在着一定的关联性。比如，城市轨道交通基础设施建设的碳排放与电力生产结构有着密切关系。在基础设施建设阶段，水泥和钢材等材料的生产消耗大量电力。如果电力生产结构中清洁能源比例较高，建筑材料生产过程中的碳排放将显著减少，从而降低整个建设阶段的碳排放量。同时，电力生产结构也间接影响了城市轨道交通运营阶段的碳排放，进而决定了节能降碳技术的应用效果。此外，城市轨道交通客运量也与交通模式转移关系密切，二者相互作用，共同影响低碳效应的发挥。

5　结论及展望

5.1　结论

近年来随着对全球气候变暖等问题的关注不断增加，城市轨道交通碳减排效应研究也日益丰富。在研究边界及机理方面，重点考虑城市轨道交通系统的运营阶段和全生命周期阶段，并分析由于交通模式转移效应、客流规模效应等要素产生的碳减排机理；在研究视角及方法方面，研究涉及单一线路、多条线路以及区域城市轨道交通系统碳减排效应等多维度。同时，研究方法主要包括情景分析法、交通需求预测方法以及逆向分析法等，其中，情景分析法是应用最广泛的方法，具有多维度分析的优点，可以综合考虑政策变化、技术进步、交通需求情况等多种影响因素，从而全面评估城市轨道交通低碳潜力，该方法的缺点主要在于参数的准确性难以有效保障，可能导致分析预测的结果无法客观反映实际的城市轨道交通低碳效应。相对而言，交通需求预测方法可以更加准确地反映城市轨道交通由于交通模式转移效应而产生的低碳效应，但该方法对数据要求较高，所需数据获取难度较大，应用较为局限。在低碳效应的关键影响因素方面，从城市轨道交通系统本身以及与其他交通方式交互作用、电力生产结构等方面探讨了其对碳减排效果的影响，同时在城市轨道交通规划、运营过程中，需要通过综合施策以提升城市轨道交通的低碳效应，具体建议措施如下。

（1）优化城市轨道交通项目的规划设计阶段节能水平。规划阶段需要在线网规划、路线路由、换乘设计、运营规划等方面考虑低碳节能规划，以提高后期运营效率；设计阶段要加强节能设计、布局设计、结构设计、建设材料选择、主体结构施工方案选择等。如路线选择应紧密结合当前以及预期客流分布情况，确保线路既符合当前的交通需求，又能适应未来的发展趋势。同时，在功能上需要满足连接主要居住和工作区域的要求，为城市轨道交通发挥低碳效应提供保障。

（2）减少城市轨道交通建设阶段的碳排放。通过采用低碳的建设方式、推广使用可再生建筑材料(如可再生混凝土)^[74]、创新建设方案、优化车站主体结构设计、降低建设材料的损失率等措施减少建设阶段的碳排放强度。此外，要在满足客流需求的前提下优化设施资源配置，合理确定车站建设规模。

（3）提升城市轨道交通出行比例。将城市轨道交通作为引导地区实现TOD发展模式的核心引擎，避免线路运力的浪费。并且，通过在轨道交通车站增设与临近商业设施的出入口，提高车站的可达性，吸引更多客流量。与此同时，通过政策宣传引导、限制高碳排放的道路车辆使用(如摇号、拍卖、限行等手段)等多种方式，提高城市轨道交通服务竞争力，促进传统燃油车辆等高碳排放的出行方式向城市轨道交通转移。

（4）积极创新和推广实施城市轨道交通低碳节能技术。一方面，在车站公共建筑布置分布式光伏发电设备，充分利用太阳能资源，采用综合能源管理系统，实现车站建筑绿色节能运营；另一方面，通过不断优化列车运行组织节能、线路节能(如设置节能坡)、车辆节能(如车体轻量化设计)、牵引供电节能(如采用集中供电、合理设置变电所)，提高能源利用效率，提升城市轨道交通节能降碳潜力。此外，还可以通过优化电力生产结构，从城市轨道交通能源消耗上游入手，减低碳排放强度，如逐步降低煤电比例，同时大力提升水电、太阳能发电、核电以及风能发电等清洁能源发电技术水平和应用比例。

5.2　未来展望

城市轨道交通的发展受到了政府、学界和企业的广泛关注，并且已被证实可显著缓解城市交通碳排放压力。现阶段，在城市轨道交通低碳效应研究边界及机理、研究层次及方法、影响要素等方面取得了初步的研究成果。结合文献总结以及梳理，提出未来的研究方向。

（1）推动城市轨道交通低碳效应测算的标准化。由于不同研究的边界设定、考虑因素以及评估方法的差异，导致即使针对同一研究对象，所得出的碳减排测算结果可能存在较大差异。因此，城市轨道交通行业应尽快完善或制定相关标准规范。

（2）结合数字协同等技术提高城市轨道交通碳减排治理数智化水平。在研究方法方面，应通过引入新技术、新理论的方式丰富城市轨道交通低碳效应研究。城市轨道交通碳减排相关问题的研究，其目的在于推动交通碳排放治理现代化，但目前相关应用实例较少，系统集成技术方案^[75]的设计和终端可视化平台的建立等亟待进一步深入研究。如研究面向“感知-预测-诱导”全过程的城市轨道交通数字减碳治理系统集成技术。对于车站部分，应考虑搭建综合交通枢纽及车站碳排放全息感知仿真与技术平台^[16]。

（3）结合其他交通方式量化多模式出行环境下的协同低碳效应。在城市轨道交通低碳效应研究影响因素方面，应考虑与其他交通方式之间的耦合降碳作用。随着共享单车、网约车等交通方式的发展，未来应扩展城市轨道交通低碳效应研究边界，关注其他交通方式接驳情况下的联合低碳效应，提高综合交通碳减排协同化水平。

（4）提高城市轨道交通低碳效应研究理论方法的精确性。近年来，研究重点逐渐转移到全生命周期视角下的低碳效应评估。然而，在实际应用情况中，考虑到研究的复杂性，研究往往仅关注城市轨道交通系统的全生命周期阶段，而忽略了其他城市交通方式的全生命周期碳排放。因此，未来应完善城市轨道交通低碳效应测算模型要素，从多方面、多角度提高测算的精确性。

（5）优化城市轨道交通碳减排测算指标。目前，现有研究的城市轨道交通碳减排测算指标主要以客流量结合各出行方式的平均出行距离为主。相较于客流量，旅客周转量更加符合实际客流转移情况，未来研究需要考虑引入旅客周转量作为评估指标。

（6）丰富城市轨道交通设施设计对其减碳效应的影响研究。不同的车站及线路布局设计、照明设计、列车流线设计、设备部署等设施设计都会对城市轨道交通减碳效应产生一定影响，需要对此进一步开展定量化研究。另外，设施维护中的碳排放是运营阶段碳排放的一个重要方面，免维护、少维护的基础设施的减排效应未来也需要深入分析。

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基金资助

城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程研究中心开放课题(2023HJ01)

国家自然科学基金项目(52302423)

北京市自然科学基金项目(J210001)

河北省自然科学基金项目(E2021210142)

天津市自然科学基金项目(21JCZXJC00160)